산소 평형
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1. 정의[편집]
폭발물이 폭발할 때, 구성 원소간의 화학 결합은 급격하게 끊어지고 재형성된다. 이 과정에서 질소는 N2, 대부분의 다른 원소들은 열역학적으로 가장 안정한 산화물[1]을 형성하려는 경향이 있다. 하지만 대부분의 폭발물에 포함되어 있는 산소는 다른 원소들과 반응해 가장 안정한 산화물을 형성하기에는 양이 부족하다.[2] 이를 정량적으로 표시하기 위해서, 질소를 제외한 다른 원소들과 반응해 가장 안정한 산화물을 형성하기 위해 필요한 산소의 양을 기준으로 해 폭발물에 포함된 산소의 과부족을 나타낸 것을 산소 평형이라고 한다.
1.1. 계산[편집]
산소 평형을 정의대로 계산하기 위해서는 먼저 폭발물 1분자가 완전연소할 때의 반응식을 작성해야 한다. 이때 보통의 연소 반응식과는 다르게, 필요한 산소를 반응식의 오른쪽에 표시하는 것이 계산하기에 직관적이다.[3]
이때 폭발물의 분자량을 M, 위 반응식에서의 산소의 양을 m[6]이라 하면, 산소 평형 Ω는 다음과 같이 정의된다.
또한 C, H, N, O로만 구성된 폭발물에 한해 산소 평형을 계산하는 다른 방법도 존재한다. 폭발물의 화학식이 CxHyNzOw이고, 분자량이 M일 때 산소 평형은 다음과 같다. [7]
【 계산 예시 펼치기· 접기 】 - 가장 널리 알려진 폭발물 중 하나인 TNT(C7H5N3O6)를 기준으로 계산을 진행하겠다.
먼저 정의대로 계산할 경우, TNT의 완전연소 반응식은 C7H5N3O6 → 7CO2 + 5/2H2O + 3/2N2 - 21/4O2이므로 산소 평형은 다음과 같다.
또한 공식을 이용할 경우,로 정의대로 계산했을 때의 값과 일치함을 확인할 수 있다.
2. 활용[편집]
폭발물의 산소 평형 값에 따라, 분해 반응식을 작성할 때 사용하기 적합한 규칙이 달라진다. 대표적으로 Ω < -40%인 경우에는 가장 흔히 사용되는 키스티아코프시키-윌슨 측정법(Kistiakowsky-Wilson rule)을 사용할 수 없다. 이 경우에는 수정 키스티아코프시키-윌슨 측정법(modified Kistiakowsky-Wilson rule)이나 스프링갈 로버트 측정법(Springall Roberts rule) 등을 사용하게 된다.
산소 평형 값과 폭발물의 위력이 직결되는 것은 아니지만, 일반적으로 산소 평형 값이 클수록 폭발 시 발생하는 열에너지는 커진다.
3. 폭발물별 산소 평형 일람[편집]
상업적으로 이용되는 대부분의 폭발물은 니트로글리세린 정도를 제외하면 대부분 산소 평형이 음의 값을 갖는다. 또한 알루미늄 가루 등을 혼합하게 되면 실질적인 산소 평형 값은 더 작아진다. 그런데 왜 산화제를 섞지 않나면 순수한 산소는 기체라 넣기 어려우므로 화합물 형태로 넣어야 하는데[8] 이럴 경우 그냥 폭발물을 더 넣는게 부피/질량 대비 폭발력이 더 크기 때문이다. 어차피 대기중에 산소가 존재하므로 순수한 열량 그 자체가 목적이라면 폭발 순간은 아니더라도 언젠간 평형에 도달한다.
산소 평형 값이 큰 순서대로 정렬했다.
이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 2023-12-02 12:27:10에 나무위키 산소 평형 문서에서 가져왔습니다.[1] 수소는 H2O, 탄소는 CO2 등.[2] 물론 질산암모늄과 같이 산소가 남는 경우도 있다.[3] 산소 평형과 이 반응식에서의 산소의 계수가 부호가 일치하기 때문이다.[4] d가 음의 값을 가져도 무관하다.[5] 폭발물에 금속 원소, 대표적으로 납 등이 포함되어 있다면 그 금속의 산화물도 추가한다. 단 AgN3의 Ag와 같이 산화물을 잘 형성하지 않는 금속이라면 금속 상태로 쓴다.[6] ≒ 32d[7] 아래 식에서 15.9994는 산소의 원자량이며, 16으로 근사해 사용해도 무방하다.[8] 사실 산화력을 가진 산소를 가진 염이라봐야 SO4나 NO3 정도다. 염이 아닌 경우 상온에서 액체/기체이므로 사용이 지극히 곤란하다.[9] 니트로화 정도에 따라 산소 평형이 다르다.